1、Chapter 19 The Quantization of Light 第第19章章 光的量子性光的量子性19-1 19-1 热辐射热辐射 普朗克的量子假设普朗克的量子假设Thermal Thermal Radiation and Planks theory Radiation and Planks theory of Radiationof Radiation19-2 19-2 光电效应光电效应 爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论 The The Photoelectric Effect and Photoelectric Effect and Einsteins Quantum The
2、oryEinsteins Quantum Theory19-3 19-3 康普顿效应康普顿效应 The Compton EffectThe Compton Effect1 1、理解黑体、光电效应、康普顿效应及其实验规律。、理解黑体、光电效应、康普顿效应及其实验规律。教学要求教学要求（自学）（自学）1.Thermal Radiation 热热辐射现象辐射现象温度升高温度升高热辐射热辐射黑体热辐射黑体热辐射全吸收全吸收黑体黑体 19-1 Thermal Radiation and Plancks Theory of Radiation 黑体辐射黑体辐射 普朗克的量子假设普朗克的量子假设黑体热辐射黑
3、体热辐射黑体黑体黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律经典电磁理论不能解释黑体辐射实验规律经典电磁理论不能解释黑体辐射实验规律2.普朗克及普朗克量子假设普朗克及普朗克量子假设普朗克普朗克(M.Planck 1858-(M.Planck 1858-1947):1947):德国物理学家，量德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基子物理学的开创者和奠基人。人。19001900年年1212月月1414日，提日，提出出“能量子能量子”（或量子）（或量子）概念，解释了黑体辐射实概念，解释了黑体辐射实验规律，宣告量子论的诞验规律，宣告量子论的诞生，为献给二十世纪的最生，为献给二十世纪的最伟大礼物，量子论和相对伟大礼
4、物，量子论和相对论共同构成现代物理学的论共同构成现代物理学的两大基本理论。两大基本理论。Plancks Postulate Plancks Postulate 普朗克的量子假设：普朗克的量子假设：黑体黑体经典：经典：连续辐射连续辐射黑体黑体一份一份一份一份辐射辐射能量子：能量子：h（后称为光子）（后称为光子）这是一个革命性的概念，打破几百年来人们奉行这是一个革命性的概念，打破几百年来人们奉行的自然界连续变化的看法，带来了科学史的一次巨大的自然界连续变化的看法，带来了科学史的一次巨大变革。但当时遭到许多科学家的反对，第一个意识到变革。但当时遭到许多科学家的反对，第一个意识到量子概念的普遍意义并将
5、其运用到其它问题上的是青量子概念的普遍意义并将其运用到其它问题上的是青年物理学家爱因斯坦。年物理学家爱因斯坦。19-2 The Photoelectric Effect 光电效应光电效应 爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论1.The Photoelectric Effect 1.The Photoelectric Effect 光电效应及其实验规律光电效应及其实验规律 G.L.赫兹赫兹1888年在研究紫外线照射到金属板的性年在研究紫外线照射到金属板的性质时，发现了光电效应（质时，发现了光电效应（photoelectric effect)。他实。他实验证实了电磁波，又是他研究电磁波的性质时发现
6、验证实了电磁波，又是他研究电磁波的性质时发现的光电效应，揭示了电磁波的粒子性。的光电效应，揭示了电磁波的粒子性。电磁波电磁波带电粒子带电粒子金属板金属板后证实为后证实为电子电子实验装置实验装置K K阴极（某种金属）阴极（某种金属）A A阳极阳极光照射到光照射到K K阴极上，打阴极上，打出电子，经电场作用，在出电子，经电场作用，在电路中形成电流。电路中形成电流。这种电子又叫光电子，对应电流叫光电流。这种电子又叫光电子，对应电流叫光电流。实验规律：实验规律：1）对于每一种金属，只）对于每一种金属，只有当入射光的频率大于一有当入射光的频率大于一定的频率时，才有光电效定的频率时，才有光电效应，否则不管
7、光多强，都应，否则不管光多强，都没有光电子射出；没有光电子射出；02）光电子的初动能随入射光电子的初动能随入射光频率线性增加光频率线性增加,与光的强与光的强度无关：度无关：)(2102hmVEmkm遏止电压遏止电压加反向电压加反向电压3）单位面积上发射的光电子数与）单位面积上发射的光电子数与入射光强成正比，即最大光电流入射光强成正比，即最大光电流（饱和电流）与光强成正比；（饱和电流）与光强成正比；VaVO1mi2mii2I1I（光强（光强 ）12II 对于一定频率的光对于一定频率的光4）光电子是即时发射的，实验光电子是即时发射的，实验发现，发射光电子与光照射的发现，发射光电子与光照射的时间差小
8、于时间差小于3 3*1010-9-9秒。秒。如果将入射光看成电磁如果将入射光看成电磁波，能不能解释上述光电效波，能不能解释上述光电效应实验规律？应实验规律？电子电子物体物体2.2.爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦的光量子理论1905年，爱因斯坦：年，爱因斯坦：1）接受普朗克的量子概念：）接受普朗克的量子概念：物体一份一份地发射电磁波；物体一份一份地发射电磁波；2）光在传播过程中，也保留一）光在传播过程中，也保留一份一份的性质：光量子即粒子份一份的性质：光量子即粒子（1926年美国化学家年美国化学家G.N.Lewis将光量子定名为光子）。将光量子定名为光子）。总结：光就是一束以光速运动的光子组成的粒
9、子流，总结：光就是一束以光速运动的光子组成的粒子流，如果光的频率为如果光的频率为，则一个光子的能量为：，则一个光子的能量为：hE 常数常数h叫普朗克常数（叫普朗克常数（）。）。sJ.1056.634光子光子如图，光子入射到金属表面，如图，光子入射到金属表面，其附近电子（设静止）吸收其附近电子（设静止）吸收光子，获得能量，逃出金属，光子，获得能量，逃出金属，成为光电子，由能量守恒有：成为光电子，由能量守恒有：金属金属电子电子光电子光电子光子光子叫爱因斯坦光电效应方程，叫爱因斯坦光电效应方程，W为电子从金属表面为电子从金属表面逃出逃出的逸出功。的逸出功。美国物理学家密立根（美国物理学家密立根（R.
10、A.Milikan)花了近十年花了近十年时间从实验上证实了爱因斯坦光电效应方程，并算时间从实验上证实了爱因斯坦光电效应方程，并算出了普朗克常数（两人因此分别在出了普朗克常数（两人因此分别在1921年和年和1923年年获得诺贝尔奖）。获得诺贝尔奖）。1）对于每一种金属，只）对于每一种金属，只有当入射光的频率大于一有当入射光的频率大于一定的频率时，才有光电效定的频率时，才有光电效应，否则不管光多强，都应，否则不管光多强，都没有光电子射出：没有光电子射出：WmVhm221hW0叫光电效应的红限。叫光电效应的红限。金属金属电子电子光电子光电子光子光子2）光电子的初动能随入射光电子的初动能随入射光频率线
11、性增加光频率线性增加,与光的强与光的强度无关：度无关：加反向电压加反向电压)(2102hmVEmkm3）单位面积上发射的光）单位面积上发射的光电子数与入射光强成正比，电子数与入射光强成正比，即最大光电流（饱和电流）即最大光电流（饱和电流）与光强成正比与光强成正比 hInnhI aVO1mi2mii2I1I（光强（光强 ）12II 对于一定频率的光对于一定频率的光Vn为单位时间通过垂直于为单位时间通过垂直于光传播方向单位面积的光传播方向单位面积的光子数。光子数。金属金属电子电子光电子光电子光子光子4）光电子是即时发射的，实验光电子是即时发射的，实验发现，发射光电子与光照射的发现，发射光电子与光照
12、射的时间差小于时间差小于3 3*1010-9-9秒：秒：电子一次吸收一个光子，电子一次吸收一个光子，不需要积累时间。不需要积累时间。问题：自由电子可不可能吸问题：自由电子可不可能吸收一个光子？收一个光子？至此至此,爱因斯坦不仅完美解释了光电效应爱因斯坦不仅完美解释了光电效应,而且而且使人们对光的本性的认识有了质的飞跃使人们对光的本性的认识有了质的飞跃波动波动性兼具粒子性。性兼具粒子性。金属金属电子电子光电子光电子光子光子3.光电效应的应用（因时间关系，请大家自学）光电效应的应用（因时间关系，请大家自学）19-3 The Compton effect(The Compton effect(康普顿
13、效应康普顿效应)1.A.H.康普顿（康普顿（Compton）：）：18921962美国物理学家，美国物理学家，1927年诺贝尔奖年诺贝尔奖获得者。主要贡献：获得者。主要贡献：1920 1923 年发现的年发现的康普顿效应。康普顿效应。吴有训：吴有训：18971977，中国物，中国物理学家、教育学家。理学家、教育学家。康普顿康普顿的学生，对证实康普顿效应，的学生，对证实康普顿效应，作出了重要贡献，因此，也作出了重要贡献，因此，也称康普顿效应为康普顿称康普顿效应为康普顿-吴有吴有训效应。训效应。2.康普顿效应康普顿效应 当当x射线照射到物质上，散射的射线照射到物质上，散射的x射线中有波长射线中有波
14、长变长的散射波，这一现象叫变长的散射波，这一现象叫康普顿效应，如图：康普顿效应，如图：x射线射线 散射体散射体 散射角散射角散射光由两部分组成，一部分波长与原来的相同，散射光由两部分组成，一部分波长与原来的相同，一部分波长一部分波长 变长，而且变长，而且 随散射角的随散射角的增大而增加，满足：增大而增加，满足：2sin22c这里：这里：3.康普顿效应的解释康普顿效应的解释 关于关于x射线是什么？历史上曾引起过激烈的争论！射线是什么？历史上曾引起过激烈的争论！英国物理学家大部分认为是波，大部分法国和德英国物理学家大部分认为是波，大部分法国和德国物理学家认为是粒子流，这一实验使人们确信国物理学家认
15、为是粒子流，这一实验使人们确信x 线是粒子流线是粒子流,19191920年年康普顿在英国作访问学者，康普顿在英国作访问学者，试图用电磁波知识来解释康普顿效应试图用电磁波知识来解释康普顿效应。如果如果x射线是电磁波，能不能解释射线是电磁波，能不能解释康普顿康普顿效应效应？不能，请听分解：效应效应？不能，请听分解：x射线射线 e没有波长变长没有波长变长的散射光！的散射光！1922年年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论，康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论，将将x射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子的碰撞，很好地解释了康普顿效应。的碰撞，很好地解释了康普顿效应。
16、x光子与光子与原子中的电子的碰撞可分为两类：原子中的电子的碰撞可分为两类：1）x光子（能量光子（能量104eV)与原子中的外层电子与原子中的外层电子（束缚能越几个（束缚能越几个eV）的碰撞，视为与自由电子的）的碰撞，视为与自由电子的碰撞；碰撞；电子电子光子光子2）x光子（能量光子（能量104eV)与原子中的内层电子与原子中的内层电子（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞；（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞；原子原子光子光子1）x光子（能量光子（能量104eV)与原子中的外与原子中的外层电子（束缚能越几个层电子（束缚能越几个eV）的碰撞，视为与）的碰撞，视为与自由电子的碰撞：自由电子的碰
17、撞：电子电子光子光子hheP碰撞前：碰撞前：光子：光子：h电子：电子：002eePcm（设静止）（设静止）chvp 光子：光子：h电子：电子：ePmc2碰撞后：碰撞后：cvhp 能量和动量守恒：能量和动量守恒：hmccmhpPpee220利用：利用：22422cPcmmcee和和 cc2sin22sin222cecmh这里：这里：mcmhec1210426.2与实验非常吻合！与实验非常吻合！电子电子光子光子hheP2）x光子（能量光子（能量104eV)与原子中的内层电子（束与原子中的内层电子（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞：缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞：02sin22Mch原子
18、原子光子光子总结：总结：1）波长不变的散射光）波长不变的散射光来自光子与整个原来自光子与整个原子（内层电子）的子（内层电子）的碰撞；碰撞；2）波长变长的散射光）波长变长的散射光来自光子与原子外来自光子与原子外层电子的层电子的碰撞。碰撞。电子电子光子光子原子原子光子光子问题：问题：1）如果原子中的电子）如果原子中的电子碰撞前有动量，上面的公式碰撞前有动量，上面的公式如何变化？如何变化？电子动量谱学。电子动量谱学。2）如何用上面的方法解释对于可见光没有）如何用上面的方法解释对于可见光没有康普顿康普顿效应；效应；电子电子光子光子静止静止3）如何解释实验曲线的锋有一定的宽度？）如何解释实验曲线的锋有一定的宽度？4.康普顿效应的重要意义：康普顿效应的重要意义：1）证实）证实x射线具有粒子性（注：射线具有粒子性（注：x射线的晶体射线的晶体散射实验证明它具有波动性，见第散射实验证明它具有波动性，见第18章）；章）；2）并且证实了微观粒子的相互作用过程中并且证实了微观粒子的相互作用过程中,也严格遵守能量守恒定律和动量守恒定律；也严格遵守能量守恒定律和动量守恒定律；3）证实了爱因斯坦的相对论有关公式：）证实了爱因斯坦的相对论有关公式：4）促进了量子力学的建立。）促进了量子力学的建立。因此，其成果很快于因此，其成果很快于1927年获得了诺贝尔奖。年获得了诺贝尔奖。
